Der Energiebegriff

Energie lässt sich an Veränderungen erkennen

Wenn eine Lampe angeht, Wasser kocht, ein Fahrrad fährt oder ein Telefon aufgeladen wird, wird Energie übertragen oder umgewandelt. In der Physik ist $Energie$ die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder Veränderungen herbeizuführen.

Energie $lässt sich an ihren Wirkungen erkennen$ : Ein Objekt bewegt sich, die Temperatur ändert sich, Licht erscheint, Geräusche werden erzeugt oder elektrische Ladung fließt.

Mechanische Arbeit überträgt Energie

Wirkt eine konstante Kraft $in Richtung der Verschiebung$ eines Objekts, beträgt die durch mechanische Arbeit übertragene Energie:

W = F \Delta s

Für die folgenden Rechnungen verwenden wir das Internationale Einheitensystem (SI). Dadurch bleiben die Einheiten von Kraft, Verschiebung und Energie aufeinander abgestimmt.

Symbolanleitung:

Symbol	Bedeutung	SI-Einheit
$W$	Arbeit oder übertragene Energie	$\text{J}$
$F$	Kraft	$\text{N}$
$\Delta s$	Verschiebung	$\text{m}$

Eine Kiste wird mit einer Kraft von $15 \text{ N}$ um $2 \text{ m}$ in Kraftrichtung verschoben. Die dabei durch Arbeit übertragene Energie beträgt:

\begin{aligned} W &= F \Delta s \\ &= 15 \text{ N} \times 2 \text{ m} \\ &= 30 \text{ J} \end{aligned}

Durch das Schieben werden also $30 \text{ J}$ Energie auf die Kiste übertragen.

Wirkt eine Kraft, ohne dass sich das Objekt verschiebt, beträgt die mechanische Arbeit an diesem Objekt $0 \text{ J}$ . Die schiebende Person verbraucht trotzdem Stoffwechselenergie und kann ermüden, aber das ruhende Objekt erhält keine Energie durch eine Verschiebung.

Energie wird in Joule gemessen

Im SI ist die Einheit für Energie das Joule mit dem Symbol $\text{J}$ . Da Energie aus $Kraft mal Verschiebung$ berechnet werden kann, kann ein Joule wie folgt gelesen werden:

\begin{aligned} 1 \text{ J} &= 1 \text{ N} \cdot 1 \text{ m} \\ &= 1 \text{ kg m}^2\text{ s}^{-2} \end{aligned}

Das Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der Energie. Ein Joule entspricht einem Newtonmeter oder einem Kilogramm-Meterquadrat pro Sekundequadrat.

Energieübertragung und Energieumwandlung

Energie kann $von einer Quelle auf ein Gerät übertragen$ werden. Das Gerät kann sie dann in eine Nutzenergie wie Licht, Bewegung, Wärme oder Strom umwandeln.

Energieübertragung von der Quelle bis zur Nutzung

In einem Solarpanel wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt. Bei der Wasserkraft wandelt sich die potentielle Gravitationsenergie des Wassers in Turbinenbewegung und dann in elektrische Energie um. Im Körper hilft die chemische Energie aus der Nahrung den Muskeln bei der Arbeit.

Leistung misst die Geschwindigkeit der Energieübertragung

Energie beantwortet die Frage, wie viel Energie übertragen oder umgewandelt wird. Leistung beantwortet die Frage, wie schnell dieser Vorgang abläuft.

Die mittlere Leistung ist die übertragene Energie geteilt durch die Zeitdauer. Im folgenden Beispiel nehmen wir $konstante Leistung$ während des Betriebs an.

P = \frac{E}{t}

Aus dieser Gleichung kann Energie wie folgt geschrieben werden:

E = P t

Die Leistungseinheit ist Watt mit dem Symbol $\text{W}$ . Ein Watt bedeutet $1 \text{ J}$ pro $1 \text{ s}$ .

1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}

Der Schreibstil entscheidet über die Bedeutung: Kursiv $W$ steht gewöhnlich für Arbeit, aufrecht $\text{W}$ dagegen für die Einheit Watt.

Ein Watt misst Leistung, also Energie pro Zeit. Leistung multipliziert mit Zeit ergibt Energie, deshalb wird auf der Stromrechnung $\text{kWh}$ oder Kilowattstunde angegeben. $\text{kWh}$ ist eine Energieeinheit, keine Leistungseinheit.

\begin{aligned} 1 \text{ kWh} &= 1000 \text{ W} \times 1 \text{ h} \\ &= 1000 \text{ J/s} \times 3600 \text{ s} \\ &= 3{,}6 \times 10^6 \text{ J} \end{aligned}

Eine Lampe mit $10 \text{ W}$ Leistung, die $5 \text{ h}$ lang eingeschaltet bleibt, verbraucht:

\begin{aligned} E &= P t \\ &= 10 \text{ W} \times 5 \text{ h} \\ &= 50 \text{ Wh} \\ &= 0{,}05 \text{ kWh} \end{aligned}

Bleibt dieselbe Lampe länger eingeschaltet, erhöht sich ihr Energieverbrauch. Bei höherer Leistung erhöht sich für die gleiche Dauer auch der Energieverbrauch.

Energieanalyse bei erneuerbaren Quellen

Um ein erneuerbares Energiesystem zu analysieren, bestimme die Energiequelle, verfolge jede Umwandlung und vergleiche die nutzbare Ausgangsenergie mit der zugeführten Energie.

Situation	Physikfrage
Auf einem Dach sind Solarmodule installiert	Wie viel Lichtenergie wird zu elektrischer Energie?
Fließendes Wasser dreht eine Turbine	Wie viel kinetische Energie des Wassers kann auf einen Generator übertragen werden?
Jede Nacht gehen die Lampen zu Hause an	Wie viel elektrische Energie wird in $\text{kWh}$ verbraucht?
Kraftstoff verbrennt im Motor	Wie viel chemische Energie wird in Bewegung und Wärme umgewandelt?

Eine Energiequelle heißt $erneuerbar$ , wenn natürliche Prozesse sie im menschlichen Zeitmaßstab nachliefern. Dazu gehören Sonnenlicht, Wind, fließendes Wasser, Erdwärme und nachhaltig bewirtschaftete Biomasse. $Nicht erneuerbare$ Quellen bilden sich viel langsamer, als Menschen sie verbrauchen. Dazu gehören Kohle, Erdöl und Erdgas.

Im Jahr $2023$ kamen weltweit fast $510 \text{ GW}$ neue erneuerbare Erzeugungskapazität hinzu. Gigawatt bezeichnet die Nennleistung der neu hinzugefügten Anlagen. Die erzeugte Energiemenge hängt von der tatsächlich genutzten Leistung und der Betriebsdauer ab.

Bei der Beurteilung einer Energieversorgung müssen Energie, Leistung und Energiequelle klar unterschieden werden.